JPS62191729A - 物理量−電気量変換器および高温用流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （、）　　技術分野 本発明は、高温下で圧力、変位、加速度等の物理量を電
気量に変換する物理量−電気量変換器および高温に熱せ
られた流体の流量を検出するための高温用流量計に関す
るものである。

（ｂ）　　従来技術 物理量−電気量変換器（以下単に「変換器」ということ
がある）としては、従来より種々の物理量、例えば圧力
、変位、加速度等を電気量（電気信号）に変換する圧力
変換器、変位変換器、加速度変換器等が広く使用されて
いる。

このような従来の変換器は、受感部を介して作用する物
理的力を受けその力に応じた変形をする起歪体と、この
起歪体に接着され該変形に応じた抵抗値変化を示すひず
みゲージと、このひず・みゲージの電気信号出力を外部
計測器に伝達するケーブルと、上記ひずみゲージを外部
と遮断するためのケーシング部材等を主要構成部材とし
て構成されている。このように構成された従来の変換器
は、種々の理由により使用可能な温度範囲、特に温度の
上限が制限されている。

即ち、ひずみゲージのベース材（絶縁材）および接着剤
は、一般に有機系素材よりなっているため、最高使用温
度が４００℃を起えると、有機物が破壊されて炭化し、
起歪体から抵抗素子としてのひずみゲージへひずみを伝
達する機能（固着機能）が失われてしまうほか、ひずみ
ゲージの絶縁抵抗も低下してしまうという問題があった
。さらに、これらの有機系素材は１例えば３５０〜４０
０℃においてガラス転移、熱変態等を起し、その特性を
変えてしまい、ひずみゲージにクリープやドリフトを生
じさせる原因となっていた。さらに、ひずみゲージの出
カケープルは、被覆材として塩化ビニール、合成ゴム、
テフロン、ポリエチレン等の可燃性素材が用いられてい
たため高温下においては使用不可能であった。さらにま
た、起歪体も従来用いられていたものの中には高温に晒
されると、酸化を起しドリフトを生じさせる原因となる
ものがあった。

ところで、原子炉においては、高熱に晒される部位の温
度が一定以上上昇しないように冷却流路に規定量の冷却
水を流している。

この冷却水が規定量（必要流量）流れていない場合には
１重大な事故を引起す虞れがあるため、上記冷却流路に
規定量の冷却水が流れているか否かを常時監視している
ことが必要である。

この流量を計測する１つの方法として、流路中に流れの
方向に直交するように受圧板を配設し、この受圧板に作
用する力をひずみゲージを用いた荷重変換器または圧力
変換器によって検出すればよいと考えられる。しかしな
がら、従来の圧力変換器や荷重変換器を流路中に設ける
ことは、冷却機能を阻害するばかりでなく、流れが乱れ
て計測精度を低下させるという問題がある。

また、上記冷却水は加熱されて３００℃前後の高温とな
るため、従来の変換器では、上述したような問題が発生
する上、一般に冷却水として純水が用いられるので、変
換器が浸食され遂には故障に至るという問題がある。

（Ｃ）　　目的 本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みなされたも
ので、その目的は、各種の変換器に容易に適用でき、例
えば上限６００℃程度の高温下における被測定対象の物
理的変状を精度よくしかも長期間に亘って安定して検出
し得る物理量−電気量変換器を提供することにあり、さ
らに他の目的は、高温に熱せられた流体中に設置しても
吸湿や酸化によるひずみゲージやリード線の絶縁低下が
無く、長期に亘って流体の流量を安定して検出し得る高
温用流量計を提供することにある。

（、（）　　構成 本発明に係る物理量変換器（以下、「第１の発明」とい
う）は、高温下で圧力、変位、加速度等の物理量を電気
量に変換する物理量−電気量変換器において、ひずみを
受けてそのひずみに対応した抵抗変化を示すひずみゲー
ジが一端のみ開口された金属性のチューブに挿入され且
つそのチューブ内に硬く充填された耐熱性を有する粉末
状の絶縁物によって保持され、前記ひずみゲージに接続
されたリード線が前記チューブの開口から耐熱ケーブル
内に導出され且つその開口が封止され、前記チューブの
側面に金属性のフランジ板が固着されてなる耐熱性を有
する密閉型検出器と、一端側が固定端に固定支持され、
他端側か２つの前記密閉型検出器の前記フランジ板の一
端側に挟持されるようにして溶接により連接された支持
部材と、一端側が２つの前記密閉型検出器のフランジ板
の他端側に挟持されるようにして溶接により連接され、
他端側に物理量を受ける受感部が設けられた受感部材と
、を具備し、前記受感部にて受けた物理量を前記２つの
密閉型検出器により電気量に変換してリード線を介して
導出するように構成したことを特徴としており、さらに
本発明に係る高温用流量計（以下、「第２の発明」とい
う）は、高温に熱せられた流体の流量を検出するための
高温用流量計において、ひずみを受けてそのひずみに対
応した抵抗変化を示すひずみゲージが一端のみ開口され
た全席性のチューブに挿入され且つそのチューブ内に硬
く充填された耐熱性を有する粉末状の絶縁物によって保
持され、前記ひずみゲージに接続されたリード線が前記
チューブの開口から耐熱ケーブル内に導出され且つその
開口が封止され、前記チューブの側面に金属性のフラン
ジ板が固着されてなる耐熱性を有する密閉型検出器と、
一端側が固定端に支持され、他端側が２つの前記密閉型
検出器の前記フランジ板の一端側に挟持されるようにし
て溶接により連接された支持部材と、一端側が２つの前
記密閉型検出器のフランジ板の他端側に挟持されるよう
にして溶接により連接され、他端側に所定面積の受圧板
が取付けられ、その受圧板により受けた前記流体の流量
に対応した圧力で前記２つの密閉型検出器にひずみを生
じさせる受感部材と、前記固定端に固着され、前記支持
部材、前記密閉型検出器および前記受感部を除く前記受
感部材の周囲を所定の間隙を有して囲繞するケーシング
部材、とを具備することを特徴としており、このような
構成とすることによって上記目的を達成することができ
る。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて、説明する
。

第１図（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明の一実施
例である流量計の構成をそれぞれ示す正面断面図、左側
面図および平面断面図である。

同図において、１は円筒状をなす金属性のケーシング部
材であり、このケーシング部材１は、冷却水を流す冷却
流路としての例えばパイプの壁体２に穿設された取付孔
３に差し込まれ、図示は省略したが、Ｏリングあるいは
ガスケット等のシーリング手段を介して、ねじ止めある
いは溶接等の手段により取付けられる。このケーシング
部材１の基端側には、その内径と略同径の外径を有する
支持部材４の固定部４ａが嵌合された上、溶接によって
気密状態に固着されている。この固定部４ａには、２つ
のケーブル導出孔４ｂが穿設されている。上記支持部材
４の他端側は、表面と裏面とが平行をなすように板状に
形成され、他端に近い部位は、中間部より幅狭に形成さ
れている。５，６は、後に詳しく説明する密閉型検出器
であり、一端側が上記支持部材４の他端側とスポット溶
接により連接されており、他端側が受感部材７の一端と
前述同様スポット溶接により連接されている。この受感
部材７は、一端側半部が幅広の板状に形成され、他端側
半部が円柱状に形成されている。８は、上記密閉型検出
器５，６の主軸方向に対して平行な受圧面を有する円板
８ａが先端に固着され、中間部で９０°折曲されてＬ字
状とされた受感部であり、基端が上記受感部材７に固定
されている。９は、上記ケーシング部材１の他端に嵌合
固定された円板状をなすストッパ部材であり、その円板
中心に穿設された孔には、円形パイプ１０が嵌合固定さ
れている。この円形パイプ１０の内径は、受感部材７が
定格を超える過大なたわみを受けて性能が劣化したり損
壊したりしないような径に設定されている。

１１ａは、上記密閉型検出器５の一部を構成するチュー
ブ１３と後述する耐熱ケーブル１１とを接続する接続部
であり、金属性の帯状バンドをもって支持部材４に固定
されている。耐熱ケーブル１１は、固定部４ａに穿設さ
れたケーブル導出孔４ｂより導出され、その周囲の隙間
から外気や湿気が入り込まないようにろう付け１２によ
ってシーリングされている。

第２図および第３図は、第１図に示す密閉型検出器５，
６の具体例をそれぞれ拡大して示す正面断面図および平
面図である。

同図において、１３はステンレス鋼等よりなるチューブ
であり、このチューブ１３の略中心部にはひずみに感応
するニッケル・クロム線等のひずみゲージよりなるアク
ティブ素子１４が倒Ｕ字状に折曲して配設されている。

また、このアクティブ素子１４の周囲には同じ材質より
なるダミー素子１５がひずみに不感なるように巻回され
ている。そして、これらのアクティブ素子１４およびダ
ミー素子１５が配設されたチューブ１３内には、酸化マ
グネシウムＭｇ○の粉末が絶縁物として固く詰め込まれ
ている。また。

チューブ１３の一端は封じられ、他端からはアクティブ
素子１４およびダミー素子１５に接続された入出力端子
線であるリード線１６が導出され、セラミック系の耐高
温接着剤１７によって封止されている。１８はチューブ
１３のひずみ感知部１３ａに一体的に固着されひずみ感
知部１３ａを支持部材４および受感部材７にそれぞれ取
付けるフランジ板である。

第３図は、密閉型検出器を支持部材４と受感部材７に固
着連接された状態を示す平面図であり、フランジ板１８
は、チューブ１３の両側方に突出したフランジ部１８ａ
、１８ｂを有している。そして、検出器５および６は、
それぞれのフランジ板１８を互いに対向させ、各先端側
を受感部材７の表面および裏面に当接した状態で点溶接
し、各基端側を支持部材４の表面および裏面に当接した
状態で点溶接することにより、支持部材４および受感部
材７に固着連接される。

密閉型検出器５（または６）からの出力は、リード線１
６から耐熱ケーブル１１としての例えばＭＩケーブル（
ｍ　１ｎｅｒａｌ　　１ｎｓｕｌａｔｅｄ　　ｍｅｔａ
ｌｓｈｅａｔｈｅｄｃａｂｌｅ　）　、およびフレキシ
ブルな延長ケーブル等を介して計測機器（図示せず）に
導かれる。

尚、第２図および第３図に示しであるアクティブ素子１
４とダミー素子１５の合計４本のリード線１６は、第４
図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、２本が共通にされてＭ
Ｉケーブルに接続される。従って、耐熱ケーブル１１と
してのＭＩケーブルは、３本の信号線を内包していれば
よいことになる。計測機器では、上記出力を適宜増幅、
演算等の処理を施して、冷却流路を流れる流量の値を表
示しあるいは記録する。

上記ＭＩケーブルは、いわゆるシースとしての鋼管の中
に酸化マグネシウムの粉が固く詰められ、その中に信号
線としての銅線が複数本挿入保持されたものであり、燃
焼する素材を使用しておらず、内部は外気と完全に遮断
されているので、高温に熱せられた流体の流量を測る流
量計の出カケープルとして好適なものである。

次に、このように構成された高温用流量計の動作につき
説明する。

冷却水が第１図に示すパイプの壁体２の右側に沿って矢
印方向、即ち下方から上方に向って流れているものとす
れば、受感部８の円板８ａの受圧面が流れに直交するよ
うに流量計をパイプ等の壁体２に取付ける。円板８ａは
、冷却流路としてのパイプの略中心部に臨んでいるので
。

流体の流れによる力を受け、この力は受感部８、受感部
材７を介して、２つの密閉型検出器５゜６に伝達される
。支持部材４と検出器５，６と受感部材７は、全体とし
て一端が固定された片持梁を構成しているが、検出器５
，６の部位が剛性が小さく形成されているので、この部
位に応力が集中する。第１図（Ａ）に示すように受感部
８が上方に押されると、検出器５には圧縮力が、また検
出器６には引張力が印加される。つまり、第２図および
第３図に示す検出器５のフランジ板１８には圧縮ひずみ
が、検出器６のフランジ板１８には引張ひずみが、それ
ぞれ発生する。このようにフランジ板１８に生じたひず
みは、チューブ１３のひずみ感知部１３ａ、酸化マグネ
シウムＭｇＯを介してアクティブ素子１４へ伝達され、
そのアクティブ素子１４の圧縮または引張による抵抗値
変化として検出され。

アクティブ素子１４自体の温度による抵、抗値変化は、
第５図に示すようにホイートストンブリッジ構成とされ
たひずみ検出回路の一辺に挿入されるダミー素子１５の
温度のみによる抵抗値変化によって電気的に相殺され、
抵抗温度係数の影響が補償される。このひずみ検出回路
は、入力側の相隣る２辺に一方の密閉型検出器５のアク
ティブ素子１４とダミー素子１５を接続し、他方の密閉
型検出器のアクティブ素子１４とダミー素子１５を第５
図に示す様に回路構成することによってホイートストン
ブリッジを形成する。尚、ホイートストンブリッジは、
環境温度の高くない場所、即ち流量計から離れた場所に
おいて組まれる。従って、ひずみゲージの出力は、リー
ド線１６、耐熱ケーブル１１、図示省略のフレキシブル
な延長ケーブルを順次介して。

計測機器の置かれた場所まで導かれる。そして、ホイー
トストンブリッジの出力は、計測機器によって適宜増幅
され、必要に応じＡ／Ｄ変換された上、所定の演算処理
がなされ、目的とする流量の測定データが得られる。次
に、流体が円板８ａに当ってその円板８ａに働く力がら
流量を測定する方法につき説明する。

ここで、円板８ａに働く力をｆ、円板８ａの流れに垂直
な断面積をＦ、流体の密度をγ、抵抗係数をｃｄ、流速
をＶ、重力加速度をｇとすると、円板８ａに働く力ｆは
、次式のように表わされる。

ｆ＝Ｆ・γ・ｃｄ　−７２７２ｇ 流体の流れに垂直な円板８ａの断面積Ｆは一定であり、
流体の密度γは一定と考えてよいので、上式より円板８
ａに働くカは、流速の二乗に比例するといえる。また、
上式における抵抗係数Ｃｄは、レイノルズ数が２３００
以上の範囲で、しかも流量範囲が１０＝１程度であるな
らば、一定になる。実際の数値は、１．１２　から１０
００の間にあり、円板８ａの形状、大きさ、レイノルズ
数に関係する。実際には、実測によって抵抗係数Ｃｄの
値を決定する。従って円板８ａに負荷される力を密閉型
検出器（即ち流量計）で検出し、上式より流速Ｖを求め
、この流速Ｖと円板８ａが設けられた部分の冷却流路の
断面積との積から流量が求められる。このような演算は
、計測機器内の演算回路によって、即時求められる。

上述のように構成され且つ動作する高温用流量計には、
次のような種々の利点がある。

第１に、密閉型検出器５．６は完全密閉されており、し
かも耐熱性のある材料ですべて形成されている（接着剤
や有機系の素材を用いていない）から６００℃程度まで
の高温雰囲気中で流量の測定を行なうことができ、ひず
みゲージやリード線が絶縁低下したり酸化したりするこ
とが殆んでなく、長期に亘って安定した精度を確保する
ことができる。

第２に、支持部材４、受感部材７、検出器５゜６等の素
材として、流体（冷却水）によって腐食（浸食）の生じ
ないステンレス鋼やその他の材質のものを適宜選択する
ことができる。

第３に、２つの密閉型検出器を所定間隔だけ離して平行
に配設し、それぞれの端部を共に支持部材４および受感
部材７に溶接により一体的に連接する構成としたから、
梁としての撓み（曲げ）があまり変化しない状態で、遅
い流速から速い流速の流れを検出することができ、従っ
て広範囲の流量を測定することができる。反対に、梁の
撓みが大きい場合には、円板８ａが流れに対して傾斜す
ることになり、それだけ測定誤差が大きくなる。

第４に、流体の影響を受ける支持部材４、検出器５，６
、受感部材７をパイプ状のケーシング部材１で覆った構
成としたから、流量は、実質的に円板８ａで受けた力の
みから求めることになり、上記支持部材４等を直接流体
中に晒す場合に比べ測定精度を向上させることができる
。

第５に一受感部材７の先端側は、円形パイプ１０で囲わ
れているので、定格値を超える過大な力が加えられても
損壊する虞れがない。

第６に、本実施例のように、流れている流体中に置かれ
た物体（円板８ａ）に働く力を検出することによって流
量を測定する形式の流量計は、■感度がよく、安定であ
る、■ヒステリシスがなく、逆方向の流量の測定もでき
る。■流体の静圧に無関係である、■粘性の影響が少な
い、■機械的な可動部がない、■構造が簡単で、取付け
が容易である、■応答が速やかである、等の利点がある
。

尚、本発明は、上述した実施例のみに限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変
形実施が可能である。

例えば、上述した実施例は、第２の発明としての高温用
流量計の例であるが、これに限らず、各種の物理量であ
る圧力、荷重、変位、加速度、傾斜、粘度等を電気量に
変換する圧力変換器、荷重変換器、変位変換器（変位計
と称されることがある）、加速度変換器、傾斜計、粘度
計等、第１の発明としての物理量−電気量変換器にも容
易に適用することができる。

この場合、荷重変換器であれば、円板８ａを荷重受部と
すればよく、また傾斜計や加速度変換器であれば１円板
８ａに代えて重錘を付設し、必要に応じ重錘をケーシン
グ内に収納し、ケーシング内部にダンピングオイルを充
填し、ケーシングを密閉すればよい。

（ｅ）　　効果 以上詳しく説明したところより既に明らかなように、第
１の発明によれば、各種変換器に容易に適用でき、例え
ば、ＳＯＯ℃程度の高温下における被副定対象の物理量
を長期間に亘り安定してしかも精度よく検出し得る物理
量−電気量変換器を提供することができ、また、第２の
発明によれば、高温に熱せられた流体の流量を長期に亘
り安定してしかも高精度で測定し得る高温用流量計を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明の一実施
例である流量計の構成をそれぞれ示す正面断面図、左側
面図および平面断面図、第２図および第３図は、第１図
（Ａ）、（Ｃ）に示す密閉型検出器の具体例をそれぞれ
拡大して示す正面断面図および平面図、第４図（Ａ）お
よび（Ｂ）は、同密閉型検出器と耐熱ケーブルとの接続
関係を示す断面図および回路図、第５図は１本発明に係
る物理量−電気量変換器の回路構成の一例を示す回路図
である。 １・・・・・・ケーシング部材、　　　２・・・・・・
壁体、４・・・・・・支持部材、　　　　　　　４ａ・
・・・・・固定部、５．６・・・・・・密閉型検出器、
　　７・・・・・・受感部材、８・・・・・・受感部、
　　　　　１０・・・・・・円形パイプ、１１・・・・
・・耐熱ケーブル、　　１３・・・・・・チューブ、１
４・・・・・・アクティブ素子′、 １５・・・・・・ダミー素子、　　　１６・・・・・・
リード線、１８・・・・・・フランジ板。 １ゎ：賽 第　　１　　　図 （Ｃ） 第　　　２　　　図 第　　　３　　図 １８　　１８ａ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温下で圧力、変位、加速度等の物理量を電気量
   に変換する物理量−電気量変換器において、ひずみを受
   けてそのひずみに対応した抵抗変化を示すひずみゲージ
   が一端のみ開口された金属性のチューブに挿入され且つ
   そのチューブ内に硬く充填された耐熱性を有する粉末状
   の絶縁物によって保持され、前記ひずみゲージに接続さ
   れたリード線が前記チューブの開口から耐熱ケーブル内
   に導出され且つその開口が封止され、前記チューブの側
   面に金属性のフランジ板が固着されてなる耐熱性を有す
   る密閉型検出器と、一端側が固定端に固定支持され、他
   端側が２つの前記密閉型検出器の前記フランジ板の一端
   側に挟持されるようにして溶接により連接された支持部
   材と、一端側が２つの前記密閉型検出器のフランジ板の
   他端側に挟持されるようにして溶接により連接され、他
   端側に物理量を受ける受感部が設けられた受感部材と、
   を具備し、前記受感部にて受けた物理量を前記２つの密
   閉型検出器により電気量に変換してリード線を介して導
   出するように構成したことを特徴とする物理量−電気量
   変換器。
2. （２）高温に熱せられた流体の流量を検出するための高
   温用流量計において、ひずみを受けてそのひずみに対応
   した抵抗変化を示すひずみゲージが一端のみ開口された
   金属性のチューブに挿入され且つそのチューブ内に硬く
   充填された耐熱性を有する粉末状の絶縁物によって保持
   され、前記ひずみゲージに接続されたリード線が前記チ
   ューブの開口から耐熱ケーブル内に導出され且つその開
   口が封止され、前記チューブの側面に金属性のフランジ
   板が固着されてなる耐熱性を有する密閉型検出器と、一
   端側が固定端に支持され、他端側が２つの前記密閉型検
   出器の前記フランジ板の一端側に挟持されるようにして
   溶接により連接された支持部材と、一端側が２つの前記
   密閉型検出器のフランジ板の他端側に挟持されるように
   して溶接により連接され、他端側に所定面積の受圧板が
   取付けられ、その受圧板により受けた前記流体の流量に
   対応した圧力で前記２つの密閉型検出器にひずみを生じ
   させる受感部材と、前記固定端に固着され、前記支持部
   材、前記密閉型検出器および前記受感部を除く前記受感
   部材の周囲を所定の間隙を有して囲繞するケーシング部
   材、とを具備することを特徴とする高温用流量計。